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大力發(fā)展鈦工業(yè)對鞏固國防和國民經(jīng)濟建設具有極其重大的戰(zhàn)略意義。本文對國外鈦合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展、國外鈦合金加工工藝研究及鈦合金的應用等情況進行了綜述。

鈦是50年代以后登上世界工業(yè)舞臺的年輕金屬，具有儲氫、超導、耐蝕、重量輕、形狀記憶、超彈和高阻尼等特殊功能，是新型的功能材料和重要的生物材料。從工業(yè)價值、資源壽命和發(fā)展前景看，它是繼鐵、鋁之后，被譽為正在崛起的“第三金屬”。大力發(fā)展鈦工業(yè)對鞏固國防和國民經(jīng)濟建設具有極其重大的戰(zhàn)略意義，世界各國的經(jīng)濟發(fā)展表明，先進的鈦工業(yè)是綜合國力的重要標志。

鈦合金的研究與發(fā)展

國外鈦工業(yè)主要集中在美國、俄羅斯和日本三個國家。由于軍事需求減少，近10年來世界鈦材產(chǎn)量一直徘徊在5萬噸左右。在生產(chǎn)技術方面，克勞爾法仍是生產(chǎn)海綿鈦的主導工藝。電子束冷床爐熔煉技術已在鈦鑄錠的制備上進行了商業(yè)化應用，大型鍛件和精密鍛造技術正在不斷地發(fā)展，激光成型等近凈成型技術正在不斷地得到應用。一些常規(guī)加工技術如鍛造、軋制等已完全實現(xiàn)了計算機自動控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型在鈦合金中的應用解決了一些鈦合金的實際問題。

有報道說，鈦生產(chǎn)廠家發(fā)現(xiàn)鈦很難進入其它市場的主要原因是價格太高。在美國，海綿鈦的平均價為3.8美元／磅，而在俄羅斯是3.2美元／磅。而且民用飛機制造工業(yè)還有一個周期問題直接影響鈦的價格。FFC—劍橋法是一種新的生產(chǎn)鈦金屬或合金的低成本電解法。

世界上鈦的生產(chǎn)僅限于部分工業(yè)國家，海綿鈦只有美國、哈薩克斯坦、俄羅斯、日本和中國5國生產(chǎn)，大約有20多家海綿鈦廠；加工材有美、日、俄、英、德、法、意、中8國生產(chǎn)。全世界海綿鈦的生產(chǎn)能力約為11萬噸，產(chǎn)量約8萬噸。鈦鑄錠的熔煉能力為22萬噸，鈦加工材的生產(chǎn)能力約為23萬噸。

目前，世界鈦技術的發(fā)展趨勢為：鈦的低成本化制備、加工技術，包括海綿鈦生產(chǎn)、鈦合金材料設計及加工過程等的低成本化；大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料制備技術，包括新型電子束和等離子冷床爐熔煉技術；高效、短流程鈦合金加工技術，包括單次冷床爐熔煉直接軋制技術，鈦帶連續(xù)加工技術生產(chǎn)等；近凈成型技術，包括激光成形、精密鑄造、精密模鍛、超塑成型／擴散連接、噴射成形等；鈦的推廣應用技術，包括生物醫(yī)用鈦、汽車用鈦、建筑用鈦等。

鈦合金加工工藝研究

1.鈦合金機加工特性分析

首先，鈦合金導熱系數(shù)低，僅是鋼的1／4，鋁的1／13，銅的1／25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。其次，鈦合金的導熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

國外鈦及其合金加工的主要企業(yè)是美國Timet公司、RMI公司、俄羅斯的VSMPO公司，日本的神戶制鋼和住友公司，他們代表了世界鈦及其合金加工材生產(chǎn)技術的最高水平。

美國的鈦及其合金錠約60%以先進的等離子或電子束冷床爐進行生產(chǎn)，其扁形錠可直接軋制板材，美國RMI公司和Timet全面掌握丁TC4薄板(厚度為0.4毫米—0.5毫米)的生產(chǎn)技術，其產(chǎn)品已在波音和空客公司得到大量應用。美國和俄羅斯采用擠壓、法生產(chǎn)鈦合金型材，已在飛機和艦艇上得到廣泛應用，俄羅斯甚至可以用擠壓+脈沖緞打的方法生產(chǎn)薄壁鈦合金型材。

從鈦及其臺金錠到成品零部件，其成品率僅10%—20%，因此殘鈦及其合金的回收利用，就成了降低成本，擴大應用的關鍵。美國有5家專業(yè)的殘廢鈦料的回收處理企業(yè)，有專門的設備，專門的技術，大規(guī)模、高自動化地從事殘廢鈦的回收處理，其產(chǎn)品通過航空級認證，回收生產(chǎn)的鈦材可以重新用于航空產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.鈦合金特種加工技術

(1)激光加工技術

利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等的特種加工，英文簡稱LBML—I。國外激光加工設備和工藝發(fā)展迅速，現(xiàn)已擁有100千瓦的大功率CO：激光器、千瓦級高光束質(zhì)量的Nd：YAG固體激光器，有的可配上光導纖維進行多工位、遠距離工作。激光加工設備功率大、自動化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐標聯(lián)動，并裝有激光功率監(jiān)控、自動聚焦、工業(yè)電視顯示等輔助系統(tǒng)。激光表面重熔是一種好的方法，可提高鈦的點蝕抗力，擴大鈦在苛刻環(huán)境中的應用范圍。

激光制孔的最小孔徑已達0.002毫米，成功地應用自動化六坐標激光制孔專用設備加工航空發(fā)動機渦輪葉片、燃燒室氣膜孔，達到無再鑄層、無微裂紋的效果。

激光切割適用于由耐熱合金、鈦合金、復合材料制成的零件。目前薄材切割速度可達15米／分鐘，切縫窄，一般在0.1毫米—1毫米之間，熱影響區(qū)只有切縫寬的10%—20%，最大切割厚度可達45毫米，已廣泛應用于飛機三維蒙皮、框架、艦船船身板架、直升機旋翼、發(fā)動機燃燒室等。

使用激光直接沉積制造先進材料，激光直接制造實現(xiàn)了高能密度熱源，粉末金屬原料和在近凈成型中用計算機驅動機器控制來生產(chǎn)大塊材料。粉末冶金和快速固化工藝相結合允許生產(chǎn)具有新成分和獨特性質(zhì)的大塊結構材料。

(2)電子束加工技術

電子束加工是利用高能量的會聚電子束的熱效應或電離效應對材料進行的加工。例如對材料表面進行熱處理、焊接、刻蝕、鈷孔、熔煉或直接使材料升華。電子束加工技術在國際上日趨成熟，應用范圍廣。國外定型生產(chǎn)的40kV—300kV的電子槍(以60kV、150kV為主)，已普遍采用CNC控制，多坐標聯(lián)動，自動化程度高。電子束焊接己成功地應用在特種材料、異種材料、空間復雜曲線、變截面焊接等方面。目前正在研究焊縫自動跟蹤、填絲焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可達300毫米，焊縫深寬比20：1。電子束焊已用于運載火箭、航天飛機等主承力構件大型結構的組合焊接，以及飛機梁、框、起落架部件、發(fā)動機整體轉子、機匣、功率軸等重要結構件和核動力裝置壓力容器的制造。如：F-22戰(zhàn)斗機采用先進的電子束焊接，減輕了飛機重量，提高于整機的性能；“蘇—27”及其它系列飛機中的大量承力構件，如起落架、承力隔框等，均采用了高壓電子束焊接技術。

國外真空電子束物理氣相沉積技術，已用于航空發(fā)動機渦輪葉片高溫防腐隔熱陶瓷涂層，提高了涂層的抗熱沖擊性能及壽命。電子束刻蝕、電子束輻照固化樹脂基復合材料技術正處于研究階段。

(3)離子束及等離子體加工技術

聚焦離子束的工作原理是利用聚焦后的離子束掃描樣品表面，通過檢測從樣品中被激發(fā)出的二次電子，形成二次電子像進行觀測。在掃描過程中，因為離子有著較大的質(zhì)量，同時可以對樣品進行加工。

表面功能涂層具有高硬度、耐磨、抗蝕功能，可顯著提高零件的壽命，在工業(yè)上具有廣泛用途。美國及歐洲國家目前多數(shù)用微波ECR等離子體源制備各種功能涂層。等離子體熱噴涂技術已經(jīng)進入工程化應用，廣泛應用在航空、航天、船舶等關鍵零部件的耐磨涂層、封嚴涂層、熱障涂層和高溫防護層等。在鈦和鈦合金表面采用微波等離子CVD金剛石涂層，涂層具有較好的結合強度。

(4)電加工技術

電火花加工是在一定的液體介質(zhì)中，利用脈沖放電對導電材料的電蝕現(xiàn)象來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達到預定技術要求的一種加工方法。日本對鈦合金表面電火花放電著色進行了研究。

國外電解加工應用較廣，除葉片和整體葉輪外己擴大到機匣、盤環(huán)零件和深小孔加工，用電解可加工出高精度金屬反射鏡面。目前，電解加工機床最大容量已達到5萬安培，并已實現(xiàn)CNC控制和多參數(shù)自適應控制。電火花加工氣膜孔采用多通道、納秒級超高頻脈沖電源和多電極同時加工的專用設備，加工效率2—3秒／孔，表面粗糙度Ra0.4um，通用高檔電火花成型及線切割已能提供微米級加工精度，可加工3um的微細軸和5L1m的孔。精密脈沖電解技術已達10um左右。電解與電火花復合加工，電解磨削、電火花磨削已用于生產(chǎn)。

鈦合金的最新加工技術有近凈成形技術、線摩擦焊接技術、超塑性成形技術、材料制備及加工過程的計算機模擬技術。

鈦合金的應用

美國、歐洲和俄羅斯的鈦加工材主要用于大型民航客機、軍用飛機、航天火箭、導彈、艦船、裝甲火炮、電力、化工、汽車等領域。其典型產(chǎn)品為飛機結構件、鈦制動機件、壓氣機葉片和基座、水翼、螺旋槳及軸、支架、浮球、魚雷發(fā)射裝置、高壓氣瓶和全鈦冷凝器等。為此，他們開發(fā)了大型電子束或等離子冷床爐熔煉爐，大型型材生產(chǎn)線、大型鍛件生產(chǎn)線；俄羅斯上薩爾達公司擁有世界最大的75000噸水壓機，能生產(chǎn)重達3.1噸的鈦鍛件，單件重量770公斤以上的大型鑄件生產(chǎn)線等。在新型鈦合金方面，他們開發(fā)了600℃的高溫鈦合金，英國的IMl834合金、美國的Ti—100鈦合金；高強鈦合金，如美國的Ti-1023、Ti-15-3、921S等；阻燃鈦合金AlloyC、Ti35V-15Cr、TiAl合金及低成本鈦合金，如美國Ti-4.5Fe6.8Mo.1.5Al等。日本鈦工業(yè)的民用技術走在了世界前列，如有經(jīng)濟指標最優(yōu)的海綿鈦企業(yè)，有亦鋼亦鈦的大卷重鈦帶生產(chǎn)線。其民用鈦制品遍及化工、石化、建筑、冶金、醫(yī)療(人體植入件、輪椅等)、交通(汽車、摩托車)，體育(高爾夫球具、網(wǎng)球拍、漁具，釣魚船等)、日用電子產(chǎn)品(照相機，手表、復印機、打字機、手機、手提電腦等)、炊具(刀、叉、鍋、鏟等)各個門類?！　∶裼煤娇展I(yè)是金屬鈦的主要消費部門。據(jù)國外有權威的機構估計，現(xiàn)在全球的金屬鈦年產(chǎn)量在5—6萬噸之間。民用航空工業(yè)的用鈦量占40%，工業(yè)應用占34%，軍事工業(yè)占16%，日常消費晶的用鈦量占10%，據(jù)報道，工業(yè)用鈦的領域包括化學工業(yè)、電力工業(yè)、能源工業(yè)、石油和天然氣工業(yè)、海水淡化等方面。軍工用鈦，除了飛機制造外，還包括裝甲車、戰(zhàn)車。還有汽車制造、建筑、運動器材、器械和首飾品也是使用鈦的行業(yè)。

2002年以來鈦的一些新興市場，如汽車和石油、天然氣都表現(xiàn)出溫和增長的跡象。就長期來看，汽車業(yè)將是鈦應用的一個更有保證的競爭領域。鈦也正被用于濱海石油和天然氣開發(fā)應用中。高端消費晶，如高爾夫球桿和網(wǎng)球拍都已是一個成熟的環(huán)節(jié)。鈦的另一熱點是在生物醫(yī)學部門，醫(yī)藥市場需求不像其它市場呈現(xiàn)出大起大落的周期性，由于社會老齡化問題，醫(yī)藥市場每年正以5%—7%的速度增長，鈦在醫(yī)藥市場中具有廣闊的應用發(fā)展前景。這些新興市場的鈦消費量在2001年為6000噸，2006年增加到10000噸。2007年，國際市場對鈦合金產(chǎn)品的需求繼續(xù)大幅增長，航空領域將成為未來幾年國際市場的主要應用領域.航空航天、“兩堿一鹽”、石化、電力、海洋石油、艦船以及體育休閑等鈦產(chǎn)品主要應用市場將繼續(xù)保持旺盛需求，同時計算機等新的鈦需求增長點也在不斷涌現(xiàn)，并呈上升趨勢。據(jù)日本先進材料公司預測，到2010年，世界鈦加工材市場將擴大到120000噸，海綿鈦的需求將達到150000—160000噸。

結束語

鈦工業(yè)目前最關心的問題有兩點：一是如何開發(fā)鈦的新應用領域。二是如何采用先進加ZT藝來降低鈦材生產(chǎn)成本。這也是最為關鍵的問題。目前許多鈦專家正致力于此項研究。如用冷爐床一次熔煉方法(電子束或等離子)生產(chǎn)矩形板坯，再直接軋制成扁平材的工藝技術就是目前低成本鈦材生產(chǎn)技術的發(fā)展趨勢。又如，生產(chǎn)汽車鈦閥門用的近凈成形、粉末冶金方法及制取海綿鈦的電解法也是考慮降低成本的方法?？梢韵嘈烹S著鈦研究的不斷深入，鈦的應用領域將更加擴展，并將獲得更大的社會效益和經(jīng)濟效益。